浸入式中空超滤膜在排泥水回收处理中的实验研究

Experimental Study of Submerged Hollow Fiber Ultrafiltration Membrane on Reclaim of Sludge Water

Shan Wen-guang1, Lu Hong-yu2, Yao Hong1 , Xue Xiao-bo1，Sun Ming-dong1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044；2.School of

Municipal & Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

　　Abstract：With treatment of submerged hollow fiber ultrafiltration membrane，effluent can reach the National Drinking Water Standard（GB5749-85） especially for the Sludge Water from the sedimentation tanks of water supply plant and the backwashing water from filters. The study indicated that it can condense the concentration of sludge to 2.5%.Daily maintenance and cleanout by online at 20 ensures the system could be operated for 80d with only one chemical clear, and ℃ the membrane flux can recovered to 97% by using NaClO and NaOH. The research also shows that the temperature is the main factor that influence the flux，which were linear increase with a slope of 0.368 as the temperature increases.

　　Keyword: Sludge Water; Ultrafiltration membrane; Sludge; Reclaim

　　１　前言

　　给水厂自用水量（给水厂沉淀池排泥水和滤池反冲洗水）占其总产水量的4%～7%。现今，由于淡水供应的日益短缺，这部分水的回用是非常有发展前景的。大庆石化分公司工业水厂总处理水量12×104t/d，全年排水总量216×104t，其中固体杂质含量达2628t。对排泥水进行处理后，每年可回收水197.1×104t，年可节省原水费用177.4×104 元【1】。另据上海市的粗略统计，各自用水公司所属水厂通过排泥水进入江河的悬浮物达10 万t/a 以上（干固体计），耗氧有机物以CODcr 计算达6 万t/a 以上。大量排泥水排入江河、水库，不仅淤积河床，妨碍航道和行洪，而且成为水体的重大污染源。因此，净水厂排泥水的处理与回用成为当前水处理界的一项重要研究课题。

　　20 世纪60 年代，美国、日本和欧洲的一些国家开始认真研究自来水厂排泥水处理与污泥处置的工作，普遍采用离心机脱水、加压过滤脱水等机械脱水方法。我国的净水厂排泥水的处理与处置起步较晚，目前只有石家庄润石水厂、北京市第九水厂、上海市闵行水厂一车间、深圳市梅林水厂等少数几个大规模的净水厂实施了排泥水处理，而绝大多数的净水厂的排泥水在经过浓缩池浓缩，膜式板框压滤机、带式压滤机和离心脱水机进行污泥脱水后直接排入水体。目前国内还没有直接采用膜系统对含泥水进行直接浓缩处理的先例。本研究拟采用中空超滤膜对排泥水进行浓缩，使产水达到国家饮用水水质标准，并分析其影响因素。

　　2 实验装置

　　实验流程图见图1，膜箱内安装3 片9m2RAYON 公司生产的浸入式中空纤维膜，膜孔径0.4μm，膜外径540μm，膜内径360μm，膜片高度1035mm，膜间距460mm，膜有效长度405mm。膜组件间歇运行，运行10min，休息2min，膜组件底部采用膜片式曝气盘曝气，使膜丝振动并对膜表面吹扫以防止颗粒污泥在膜表面堆积。膜箱尺寸为1.5×1.5×3m，原水箱1.0×1.0×1.0m。其它设备有膜抽吸水泵、罗茨风机、流量计、污泥悬浮颗粒计，采用PLC 自动控制系统。

　　实验原水取自大庆市某水厂的储泥池的进水，此水为自来水厂沉淀池排泥水和滤池反冲洗水。原水含泥量较高，水质分析内容见表1。

表1 水质检测内容与分析方法

Table 1 shows testing content and analysis method

　　3 实验结果与分析

　　3.1 运行条件分析

　　在膜通量10.71L/(m2·h)、膜压差20kpa 和水温50C 的条件下，设备每运行20h 反洗一次，每次20min。运行40h 时，排泥一次。其膜箱内污泥浓度随时间变化如图2 所示。从中可以发现，40h 的排泥间隔能够保证系统的有效运行。当膜压差<20kpa 时，100％排泥要比50％排泥条件下污泥浓度升高缓慢且运行效果要好。其污泥浓度最大达到2.17%。

　　在膜通量16.23L/(m2·h)、水温20℃和膜压差<50kpa（变压操作）的条件下，设备每运行24h 反洗一次，每次20min。运行48h 时，排泥一次。其膜箱内污泥浓度随时间变化如图3 所示。从中也可以看出，100%排泥可以大大保证系统的有效运行，而50％排泥时污泥浓度上升较快。但在膜箱内污泥浓度上升曲线较为平缓。其污泥浓度最大达到2.5%。两种温度状态下，系统在水温200C 时要比50C 时具有更大的膜通量和更长的运行周期。两者膜透过压差均控制在20kpa 以内，均连续运行80 天未进行化学反洗。这说明温度是膜通量变化的主要影响因素。

　　3.2 污染物去处效能分析

　　由表2 可以看出在进水污泥浓度范围为0.21％～0.9％时，产水的浊度均小于0.4NTU，其氨氮、亚硝酸氮、耗氧量、铁、色度都满足国家饮用水标准（GB5749-85）。在表3 中可以看出，假单胞菌去除率大于99%，贾第虫囊、孢子、大肠杆菌去除率为100％，说明膜组件对上述细菌具有很好去除效果。产水的SDI小于2，颗粒物浓度小于1particles/ml，说明该膜组件的产水可作为反渗透的进水，能够直接进行深度处理以满足更严格的用水要求。

表2 膜组件产水水质分析表

Table 2 Analytic table of membrane effluent

表3 膜组件对主要细菌的处理效果分析表

Table 3 Analytic table of the treatment of membrane for major bacterium

　　3.3 水温影响

　　在本试验中水温是膜通量的主要影响因素。在污泥浓度0.9％、透膜压为6.9kpa 时，不同温度下膜通量如图4 所示，随着温度的增加膜通量呈线性增加，其斜率为0.386。以200C 时的膜通量为基准点，据此推导出10C～400C 的膜通量修正值，其值如图4 所示。因而，控制好温度可有效地提高产水量。

　　3.4 污泥浓度影响

　　 在实验中还发现，膜抽吸水泵前压力随污泥浓度增加缓慢降低。以一个运行周期为例，其膜阻力变化趋势如图5 所示，膜压力随污泥浓度增加缓慢降低反应了膜阻力随污泥浓度的缓慢增加，但当污泥浓度超过1.75%，膜阻力急剧增加，分析其原因为膜已开始污染。另一方面，随污泥浓度的增加，8 秒时的压力和597 秒时的压力差值（即压差）逐渐降低，表明在膜表面逐渐形成凝胶层，在污泥浓度1%时，达到压差最低点，此后，压差逐渐增大，说明浓差极化在起作用，当污泥浓度超过1.75%时，压差增大趋势迅速，说明膜逐渐污染。

　　3.5 维护清洗

　　系统在运行中存在由于膜污染而引起的过滤阻力不断增加，膜过滤通量严重衰减的问题，仍是影响膜技术推广应用的关键所在。从引起膜通量降低的污染类型分析，一些研究结果显示【3，4，5】，在高污泥浓度反应器中运行的超滤膜滤饼层阻力是过膜阻力的主要成分，超滤膜阻力值增加9.096×1012m-1，滤饼层增加的阻力为5.79×1012m-1，占阻力升高值的58.45%，为控制滤饼层的积累，本实验采用膜的日常在线维护性反冲洗，每周期用滤后液反洗20min，松动滤饼层。而从膜污染的机理分析，微生物及活性污泥污染、有机物污染、无机物污染是其污染类型的三大类【6】，为缓解这些污染，实验采用间歇运行、空气吹扫膜丝使其抖动、低过膜压力运行（膜压差〈20kpa）、水力反冲洗，并根据污染情况进行化学清洗。

　　膜的日常维护清洗能够保证膜组件的长期有效运行。本实验的日常维护清洗采用周期在线反冲洗，反冲洗时滤后液反向通过膜，使膜表面的的污染物被冲起呈悬浮态，降低膜阻力，一定程度延缓膜污染，同时间隔一周期反洗时投加0.5L 盐酸或者1.5L 次氯酸钠，清除膜孔内外的无机或有机污染物，初滤液排放。

　　表4 是经过日常的维护清洗，水温50C 时，设备运行30d，化学清洗一次，清洗时间12h，清洗药剂采用200ppm 次氯酸钠和0.2%氢氧化钠，清洗结果如表4 所示。清洗后膜通量恢复97%，初始膜压力恢复99%。

表4 50C 时，膜清洗状况分析表

Table 4 Analytic table of the status of membrane cleaning at 50C

注：膜通量的单位为L/(m2·h)；产水膜压力的单位为kpa；膜压差的单位为kpa。

　　表5 是水温200C 以上时，设备运行80d，化学清洗一次，清洗时间12h,清洗结果如表5 所示。清洗后膜通量恢复98%，初始膜压力恢复99%。

　　通过以上分析，可以看出采用日常在线维护清洗，对于膜的耐污染性和长期稳定运行提供了保证。采用次氯酸钠和氢氧化钠、盐酸，对于膜通量的恢复和膜阻力的降低起到了至关重要的作用。

表5 200C 时，膜清洗状况分析表

Table 5 Analytic table of the status of membrane cleaning at 200℃

注：膜通量的单位为L/(m2·h)；产水膜压力的单位为kpa；膜压差的单位为kpa。

　　3.6 运行成本

　　对该套装置经济分析，膜装置的动力设备为水泵和罗茨风机，电价取0.50 元/度，运行过程中能耗为1.32（KW·h）/m3，制水成本为0.61 元/m3。

　　4 结论

　　通过对浸入式超滤膜组件处理自来水厂沉淀池排泥水和滤池反冲洗水的实验分析，可以得出如下结论：

　　1)浸入式超滤膜对自来水厂泥水进行分离,日常地在线维护清洗可保证设备运行稳定，在200C 和50C时设备运行80d 和30d，化学清洗一次,产水水质满足国家饮用水水质要求，可直接进入清水池经消毒后外输用户端。其污泥浓度可浓缩到含泥为2.5%。

　　2）水温是影响膜通量的主要因素，在污泥浓度0.9％，膜透过压6.9kpa 时，不同温度下膜通量随着温度的增加膜通量呈线性增加，其斜率为0.386。

　　3）本实验除采用日常在线维护清洗外，化学清洗采用次氯酸钠和氢氧化钠，清洗时间12h，水温50C时，清洗后膜通量恢复97%，初始膜压力恢复99%；水温200C 以上时，清洗后膜通量恢复98%，初始膜压力恢复99%。

　　4）经对设备经济分析，运行过程中能耗为1.32（KW·h）/m3，制水成本为0.61 元/m3。

　　5) 反洗水回用成功可大大地减轻排污量、节省新鲜水源、降低处理费用，具有显著的社会效益、环境效益和经济效益。

　　参考文献：

　　[1] Wang guibin, Xu zhanxiang, Wang guoqing. Discuss on filtration backwash water of dinking water treatment plant.oil refining and chemical industry. China ,2002，14（38）:65-69

　　[2] Liu jun,Xu jianhua.Development survey on discharged mud water of dinking water treatment plant in and out country, china water and wastewater, China , 2001，8（17）:49-53

　　[3] P. C6t6, J. Cobum and M. Eid, Use of ultrafiltration for water reuse and desalination, Proc. IDA World Congress on Desalination and Water Reuse, Bahrain,October 26-31, 2001.

　　[4] K.H.Choo and C.H.Lee. Membrane Fouling Mechanisms in the Membrane-coupled Anaerobic Bioreactor. Water Research.1996,30（8）:1771～1780

　　[5] D. Thompson, C. Schneider and M. Murphy,Immersed membrane bioreactors for water reuse:

　　[6] summary of 5 years experience, Proc. 25th Annual Hawaii Water Environment Association Conference,Honolulu, Hawaii, January 29-31, 2003.